Filtry aktywne wyższych harmonicznych

Co jeśli zawartość wyższych harmonicznych jest wysoka, ale zapotrzebowanie na moc bierną jest niskie?

W zasadzie istnieje kilka rozwiązań ograniczających prądy harmoniczne w takich przypadkach, które są spowodowane zastosowaniem obciążeń generujących harmoniczne.

Znane środki obejmują w szczególności zastosowanie

  • kilku filtrów pasywnych lub
  • grupowanie obciążeń silnie nieliniowych i wrażliwych w osobne grupy i zasilanie każdej grupy osobnym transformatorem

Rozwiązania te mają jednak dwie zasadnicze wady:

  • poprawa stanu sieci jest możliwa tylko w przypadku konkretnej instalacji, a przy każdej jej rozbudowie początkowe założenia mogą stać się nieaktualne
  • praktyczne wdrożenie tych rozwiązań jest często bardzo trudne w istniejących instalacjach.

Często zbyt wysokie poziomy harmonicznych występują z powodu stosowania w sieciach o obciążeniach harmonicznych kondensatorów bez dławików najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem w tym zakresie jest stosowanie wysoko-wydajnych systemów filtrujących FRAKO. W przypadku problemów ze:

  • zbyt wysokimi poziomami 3-ej, 9-ej i 15-ej harmonicznej i wynikającym z tego wysokim prądem w przewodzie neutralnym lub
  • wymaganiem kompensacji w celu utrzymania prądu harmonicznego doprowadzanego z powrotem do sieci średniego napięcia poniżej określonej wartości granicznej lub
  • w przypadku niskiego zapotrzebowania na moc bierną i wysokich prądów harmonicznych, np. ze względu na duży udział asynchronicznych maszyn sterowanych przekształtnikowo, optymalnym rozwiązaniem jest filtr harmoniczny OSFM lub połączenie systemu obwodów filtracyjnych FRAKO z aktywnym filtrem harmonicznych.

Decydującą zaletą aktywnego filtra harmonicznego jest fakt, że kompensacja zakłóceń w sieci pozostaje skuteczna nawet przy późniejszej rozbudowie instalacji. Dzięki elastyczności aktywnych filtrów FRAKO rozmiar nominalny można łatwo dobrać do zadanych wymagań. Dodatkowe potrzeby związane z rozbudową instalacji można zaspokoić w dowolnym momencie poprzez dodanie kolejnych komponentów.

Zasada działania aktywnego filtra składowych harmonicznych

Filtr aktywny, podłączony równolegle do generatora harmonicznych, analizuje prąd harmoniczny generowany przez obciążenia nieliniowe i dostarcza prąd kompensacji odwrotnej fazy, albo całe spektrum 2-25 harmonicznych, albo specjalnie dobrane harmoniczne. Powoduje to, że całkowicie zneutralizowane są odpowiednie prądy harmoniczne w punkcie przyłączeniowym. Kombinacja filtra harmonicznych i odbiornika jest traktowana przez sieć jako całkowite obciążenie liniowe pochłaniające prąd sinusoidalny. Instalacja jest bardzo prosta. Należy zapewnić układ 3-faz z przewodem zerowym lub bez, a przekładniki prądowe muszą być zainstalowane w przewodach zasilających obciążeń nieliniowych.

I1 = prąd składowej podstawowej
IH = prąd harmoniczny

Rys. 44: Zasada działania filtra aktywnego typoszereg OSFM

 

Rys. 45: Pomiar harmonicznych bez filtra

 

Rys. 46: Pomiar harmonicznych z filtrem

 

Zastosowanie

Typowe zastosowania to:

  • sieci niskonapięciowe z dużą liczbą przemienników częstotliwości, w których wymagane jest zasilanie tylko ograniczonych prądów harmonicznych z powrotem do nałożonej sieci, np. za pomocą długich linii do obiektów oddalonych.
  • nowoczesne napędy przekształtnikowe z wysokim sprzężeniem zwrotnym harmonicznym, ale o niskim zapotrzebowaniu na moc bierną. W sieci niskiego napięcia z transformatorem 1000kVA i zastosowaniem wielu mniejszych silników asynchronicznych zdecydowanie wymagany jest system sterowania mocą bierną o mocy znamionowej 400kVar. Przy zastosowaniu nowoczesnych przemienników częstotliwości zapotrzebowanie wynosi nadal około 100kVar.
  • sieci niskiego napięcia z wysokim udziałem 3-ciej harmonicznej z dużą ilością odbiorników 1-faz. Te niskonapięciowe sieci charakteryzuje wyjątkowo wysoki prąd w przewodzie neutralnym, który powinien być zbliżony do wartości 0A przy w symetrycznie rozłożonym obciążeniu rezystancyjnym. Ze względu na obciążenie elektroniczne, oprócz możliwych asymetrii obciążeń rezystancyjnych, prądy harmoniczne trzech faz w przewodzie zerowym sumują się, ponieważ harmoniczne 3, 9 i 15-rzędu na trzech fazach mają to samo położenie fazowe. W rezultacie otrzymujemy prąd zerowy, który może być większy niż prąd fazowy i przeciąża przewód zerowy, który nie jest do tego przeznaczony.